cogeneracion
¿que es la cogeneracion?
energía útil (normalmente mecánica y térmica) en un único sistema integrado. Sistemas de cogeneración consisten en un número de componentes individuales - máquina motriz (motor térmico), generador, calor recuperación, y la interconexión eléctrica, configurado en un todo integrado. El tipo de equipo que acciona el sistema general (es decir, el motor primario) típicamente identifica como sistema CHP . Automóviles remolcadores para los sistemas de cogeneración incluyen motores alternativos de combustión o gas turbinas, turbinas de vapor, microturbinas y pilas de combustible. Estos motores primarios son capaces de la quema de una gran variedad de combustibles, incluido el gas natural, el carbón, el petróleo y los combustibles alternativos para producir potencia en el eje o energía mecánica. Aunque la energía mecánica del motor primario es más a menudo se utiliza para accionar un generador para producir electricidad, también se puede utilizar para conducir equipos rotativos tales como compresores, bombas y ventiladores
La energía térmica del sistema se puede utilizar en aplicaciones de procesos directos o indirectamente para producir vapor, agua caliente, aire caliente para secado, o agua fría para la refrigeración de procesos.
beneficios de la cogeneracion
Siempre que la cogeneración se optimiza en la manera descrita anteriormente (es decir, tamaño de acuerdo a la demanda de calor), los siguientes beneficios se puede obtener:
- Aumento de la eficiencia de conversión de energía y el uso
- Menores emisiones al medio ambiente, en particular de CO2, el principal gas de efecto invernadero
- En algunos casos, los combustibles de biomasa y algunos materiales de desecho tales como gases de refinería, proceso o residuos agrícolas (ya sea digerido anaeróbicamente o gasificada), se utilizan. Estas sustancias que sirven como combustibles para los sistemas de cogeneración, aumenta la rentabilidad y reduce la necesidad de la eliminación de residuos
- grandes ahorros de costes, proporcionando competitividad adicional para industrial y comercial de los usuarios al tiempo ademas que ofrece calor asequible para los usuarios domésticos
- Una oportunidad para avanzar hacia formas más descentralizadas de generación de electricidad, donde las plantas están diseñadas para satisfacer las necesidades de los consumidores locales, proporcionando alta eficiencia, evitando las pérdidas de transmisión y el aumento de la flexibilidad en el uso del sistema. Este será particularmente el caso si el gas natural es el portador de energía
- Una oportunidad para aumentar la diversidad de la planta de generación, y proporcionar la competencia en generación. Cogeneración ofrece uno de los vehículos más importantes para la promoción la liberalización de los mercados energéticos
tipos de sistemas de cogeneracion
Esta sección incluye varios tipos de sistemas de cogeneración: sistema de turbina de vapor de cogeneración
, sistema de cogeneración de la turbina de gas, y movimiento alternativo de sistema de motor de cogeneración. ella
también incluye una clasificación de los sistemas de cogeneración sobre la base de la secuencia de la energía
utilizado.
Cogeneración con turbina de vapor
Las turbinas de vapor son una de las tecnologías de organizador más versátiles y más antiguo todavía en la producción general. La generación de energía mediante turbinas de vapor ha estado en uso durante unos 100 años, cuando se sustituyen las máquinas de vapor de vaivén debido a sus mayores eficiencias y menores costos. La capacidad de turbinas de vapor puede variar de 50 kW a varios cientos de MW para las grandes plantas de energía eléctrica. Las turbinas de vapor son ampliamente utilizados para producción combinada de calor y electricidad (CHP) aplicaciones. El ciclo termodinámico para la turbina de vapor es el ciclo de Rankine.
el ciclo es la base para las estaciones de generación de energía convencionales y consta de una fuente de calor(Caldera) que convierte el agua en vapor de alta presión. En el ciclo de vapor, el agua se bombea primero de media a alta presión. A continuación se calienta a la temperatura de ebullición correspondiente a la presión, hervido (calienta de líquido a vapor), y luego con mayor frecuencia sobrecalentado (climatizada a una temperatura superior a la de ebullición). Una turbina de etapas múltiples se expande el vapor a presión a menor presión y el vapor entonces se agota ya sea por un condensador en condiciones de vacío o en un sistema de distribución de vapor de temperatura intermedia que entrega el vapor a la aplicación industrial o comercial. El condensado procedente del condensador o del sistema de utilización de vapor regresa a la bomba de agua de alimentación para la continuación del ciclo.
Los dos tipos de turbinas de vapor más ampliamente utilizados son la contrapresión y la de condensacion de extracion . La elección entre la turbina de contrapresión y la extracción de condensación turbina depende principalmente de las cantidades de energía y calor, la calidad de calor, y factores economicos. Los puntos de extracción de vapor de la turbina podía ser más de uno, dependiendo de los niveles de temperatura de calor requerida por los procesos.
presion posterior Turbina de Vapor
Una turbina de vapor de contrapresión es la configuración más sencilla. El vapor sale de la turbina a una presión mayor o al menos igual a la presión atmosférica, que depende de las necesidades de
la carga térmica. Es por esto que se utiliza la contrapresión. También es posible extraer
vapor de etapas intermedias de la turbina de vapor, a una presión y temperatura
y apropiarse de la carga térmica. Después de la salida de la turbina, el vapor se alimenta de la carga,
donde libera calor y se condensa. El condensado vuelve al sistema con un caudal
que puede ser inferior a la tasa de flujo de vapor, si se utiliza la masa de vapor en el proceso o si hay
son las pérdidas a lo largo de la tubería para hacer que el agua retenga el balance de masa.
La parte posterior delsistema de presión tiene las siguientes ventajas:
- Configuración sencilla con pocos componentes.
- Los costos de las etapas de baja presión de la turbina se evitan.
- Bajo costo de capital.
- Reducción o incluso sin necesidad de agua de refrigeración.
- alta rendimiento total, porque no hay rechazo de calor al medio ambiente a través condensador.
La parte posterior - sistema de presión tiene las siguientes desventajas:
- La turbina de vapor es mayor para la misma potencia de salida, debido a que opera bajo un menor diferencia de entalpía del vapor.
- El caudal másico de vapor a través de la turbina depende de la carga térmica. En consecuencia, la electricidad generada por el vapor de agua es controlada por la carga térmica, lo que resulta en poca o ninguna flexibilidad en la adecuación de salida eléctrica directamente a eléctrica carga. Por lo tanto, hay una necesidad de una conexión de dos vías a la red para la compra electricidad suplementaria o venta exceso de electricidad generado. El aumento de la electricidad la producción es posible gracias a la ventilación de vapor directamente a la atmósfera, pero esto es muy ineficiente. Es el resultado de una pérdida de agua de la caldera tratada y, muy probablemente, en pobres económica, así como actuaciones energéticas.
- Extracción de condensación Turbina de Vapor
En tal sistema, el vapor de la carga térmica se obtiene por extracción a partir de uno o más
etapas intermedias en la presión y la temperatura adecuada. El vapor restante es agotado a la presión del condensador, que puede ser tan baja como 0,05 bar con una temperatura de condensación de alrededor de 33 ° C correspondiente. Es bastante improbable que a tan baja temperatura se encuentren aplicaciones útiles. En consecuencia, se rechaza al medio ambiente. en comparación con la parte posterior - sistema de presión, la turbina tipo de condensación tiene un capital superior de costo y en general, una eficiencia total menor. Sin embargo, hasta cierto punto, se puede controlar la independiente de energía eléctrica de la carga térmica por una regulación adecuada de la velocidad de flujo de vapor a través de la turbina.
cogeneracion con turbina de gas
Sistemas de turbina de gas que operan en el ciclo termodinámico conocido como el ciclo Brayton. En un Ciclo Brayton, el aire atmosférico se comprime, calienta, y luego se expande, con el exceso de
la energía producida por la turbina o expansor sobre la consumida por el compresor usado para el
poder de generación.
Sistemas de cogeneración de turbina de gas puede producir la totalidad o una parte de las necesidades energéticas de la sitio, y la energía liberada a alta temperatura en el tubo de escape se pueden recuperar para calefacción y refrigeración para varias aplicaciones (ver Figura 4). Aunque el gas natural es más de uso común, otros combustibles como el combustible ligero o diesel también se pueden emplear.
La típica gama de turbinas de gas varía de una fracción de un MW de alrededor de 100 MW.
la turbina de gas de cogeneración probablemente ha experimentado el más rápido desarrollo en los últimos años debido a la mayor disponibilidad de gas natural, un rápido progreso en la tecnología, reducción significativa de los costes de instalación y un mejor desempeño ambiental. Por otra parte, el período de gestación para el desarrollo de un proyecto es más corta y el equipo puede ser entregado de una manera modular. Las turbinas de gas tienen un corto tiempo de puesta en marcha y proporcionan la flexibilidad de funcionamiento intermitente. Aunque tienen a fuego lento a la conversión de energía eficienciente, más calor se puede recuperar a temperaturas más altas. Si la salida de calor es menor de la requerida por el usuario, es posible tener suplementaria de cocción de gas natural por mezcla de combustible adicional al gas de escape rico en oxígeno para aumentar el rendimiento térmico más eficiente.
Sistemas de turbina de gas de cogeneración de ciclo abierto
La mayoría de los sistemas de turbinas de gas disponibles en la actualidad, en cualquier sector de aplicaciones, operan en el Brayton abierto (también llamado ciclo Joule cuando se ignoran irreversibilidades) ciclo donde un compresor toma aire de la atmósfera y se deriva al aumento de la presión de combustion. La temperatura del aire también se incrementa debido a la compresión. Las unidades más antiguas y más pequeñas operan a una relación de presión en el intervalo de 15: 1, mientras que las unidades más nuevas y más grandes operan a relaciones de presión se acercan a 30:1.
El aire se suministra a través de un difusor para una cámara de combustión a presión constante, donde el combustible se inyecta y se queman. El difusor reduce la velocidad del aire a valores aceptables en el combustor. Hay una caída de presión en la cámara de combustión en el intervalo de 1,2%. la combustion se lleva a cabo con gran exceso de aire. Los gases de escape salen de la cámara de combustión a alta temperatura y con concentraciones de oxígeno de hasta el 15-16%. La temperatura más alta del ciclo aparece en este punto; cuanto mayor es esta temperatura, mayor será la eficiencia del ciclo. así como la eficiencia de las palas de refrigeración. Con la tecnología actual se trata de 1.300 ° C.
Los gases de escape de alta presión y de temperatura entran en la producción mecánica de la turbina de gas para trabajar para accionar el compresor y la carga (por ejemplo, generador eléctrico). Los gases de escape salen de la turbina a una temperatura considerable (450-600 ° C), lo que hace ideal la recuperacion de calor a alta temperatura. Esto se ve afectado por una caldera de recuperación de calor de la presión único o doble presion para la recuperación más eficiente de calor. El vapor producido puede tener alta presión y temperatura, que hace que no sea apropiado sólo para los procesos térmicos, sino también para la conducción de una turbina de vapor produciendo así poder adicional.
Sistemas de turbina de gas de cogeneración de ciclo cerrado
En el sistema de ciclo cerrado, el fluido de trabajo (generalmente helio o aire) circula en un
circuito cerrado. Se calienta en un intercambiador de calor antes de entrar en la turbina, y se enfría después de la salida de la turbina de la liberación de calor útil. Por lo tanto, el fluido de trabajo permanece limpio y no causa corrosión o erosión.
Fuente de calor puede ser la combustión de cualquier combustible externo. Además, la energía nuclear o solar energía puede ser utilizada.
Sistema alternativo Cogeneración con Motor
Los motores alternativos son muy adecuadas para una variedad de aplicaciones de generación distribuida, industriales, comerciales, institucionales e instalaciones para la generación de energía y la cogeneración. Los motores alternativos comienzan rápidamente, sigue así la carga, tiene buenas eficiencias de carga parcial, y generalmente tienen alta confiabilidad. En muchos casos, múltiples unidades de motor alternativoaumentan mas la capacidad total de la planta y la disponibilidad. Los motores alternativos tienen mayor eficiencia electrica que las turbinas de gas de tamaño comparable, y por lo tanto reducen los costes operativos relacionados con el combustible.
Además, los costos de los primeros grupos electrógenosdel motor son generalmente más bajos que la turbina de gas, los grupos de electrógenos tienen hasta 3.5 MW de tamaño. los costos de mantenimiento del motor son generalmente más altos que las turbinas de gas, pero el mantenimiento a menudo puede ser manejado por personal interno o proporcionada por las organizaciones de servicios locales.
Aplicaciones de potenciales degeneración distribuida para motores alternativos incluyen el modo en espera, pico afeitar, soporte de red y aplicaciones de cogeneración en la que el agua caliente, vapor de baja presión o de residuos calor despedido requieren de máquinas de absorción. Los motores alternativos también se utilizan ampliamente como accionamientos mecánicos directos en aplicaciones tales como el bombeo de agua, de compresión de aire y gas y escalofriante y refrigeración.
Aunque se espera que el uso de motores alternativos en la generación distribuida diversos
aplicaciones cresca, la aplicación más frecuente en el lugar de generación de motores SI de gas natural ha sido tradicionalmente CHP, y esta tendencia es probable que continúe.
La economía del gas natural en motores de aplicaciones de generación se ve reforzada por el uso eficaz de la energía térmica contenida en los sistemas de gas de escape y de refrigeración, que generalmente representa del 60 al 70% de la energía del combustible de entrada.
Hay cuatro fuentes de calor que utilizan residuos procedentes de un motor alternativo: gas de escape del motor, camisa de agua de refrigeración, aceite lubricante de agua de enfriamiento y refrigeración del turbocompresor. El calor recuperado es generalmente en forma de agua caliente o vapor de baja presión (<30 psig). La alta temperatura de escape puede generar vapor de media presión (hasta aproximadamente 150 psig), pero el gas de escape caliente contiene sólo aproximadamente la mitad de la energía térmica disponible a partir de un motor alternativo.
Algunas aplicaciones de cogeneración industriales utilizan los gases de escape del motor directamente para el secado proceso. Generalmente, el agua caliente y vapor a baja presión producidos por sistemas de motor alternativo CHP son apropiados para las necesidades del proceso de baja temperatura, la calefacción, el agua potable, calefacción, y para conducir máquinas de absorción que proporciona agua fría, aire acondicionado, o refrigeración.
Otras clasificaciones de sistemas de cogeneración
Los sistemas de cogeneración normalmente se clasifican de acuerdo a la secuencia de uso de energía y la esquemas operativos adoptados. Sobre esta base, los sistemas de cogeneración pueden clasificarse ya sea como superando o un ciclo de tocar fondo.
ciclo de Topping
En un ciclo de relleno, el combustible suministrado se utiliza para productos de alimentación primera y la energía térmica a continuación, que es el subproducto del ciclo y se utiliza para satisfacer calor de proceso u otro térmica requisitos. Encabezando la cogeneración de ciclo es ampliamente utilizado y es el método más popular de cogeneración.
ciclo de tocar fondo
En un ciclo de tocar fondo, el principal combustible produce energía térmica de alta temperatura y el calor rechazado del proceso se utiliza para generar energía a través de una caldera de recuperación y una turbina generadora. Los Ciclos de tocar fonso son adecuados para los procesos de fabricación que requieren de calor a alta temperatura en los hornos, y rechazan el calor significativamente altas temperaturas. típicas áreas de aplicación incluyen cemento, acero, cerámica, gas y petroquímica.
Ciclos que tocan fondo son mucho menos comunes en las centrales de ciclo topping.
La Figura 9 ilustra el ciclo de tocar fondo donde el combustible se quema en un horno para producir rutilo sintético. la pérdida de los gases que salen del horno se utiliza en una caldera para generar vapor, que impulsa la turbina para producir electricidad.
evaluacion de los sistemas de cogeneracion
Rendimiento de Términos y Definiciones
Rendimiento de la turbina de vapor
El rendimiento de la turbina de gas
Generador de vapor de recuperación de calor de rendimiento (hrsg)
Calculations For Steam Turbine Cogeneration System
La siguiente figura ilustra los cuatro pasos para calcular el rendimiento de una turbina de vapor
sistema de cogeneración, que es el sistema de cogeneración más común en la industria. Nota: mientras la metodología se aplicará a todos los sistemas de cogeneración, las fórmulas utilizadas a continuación sólo se aplican al sistema de cogeneración de la turbina de vapor.
Paso 1: Calcular la extracción de calor real de la turbina en cada etapa
Entalpía del vapor en la entrada de la turbina: h1, kcal / kg
Entalpía del vapor en la etapa de extracción 1: h2, kcal / kg
Entalpía del vapor en la etapa 2 de extracción: h3, kcal / kg
Vapor entalpía condensador: h4 *, kcal / kg
Debido a la humedad de vapor en la etapa de condensación, la entalpía de vapor no puede ser
considerado como equivalente al vapor saturado. Valor típico sequedad es desde 0,88 hasta 0,92. Thisdryness valor puede ser utilizado como primera aproximación para estimar gota de calor en la última etapa. Sin embargo se sugiere para calcular la última etapa de la eficiencia de la turbineefficiency general y otra eficiencia etapa.
Extracción de calor desde la entrada a la etapa 1 de extracción (h5):
h5 = (h1 - h2) kcal / kg
Extracción de calor de la etapa 1 a la etapa 2 de extracción (h6):
h6 = (H2 - H3) kcal / kg
Extracción de calor de la etapa 2 de extracción para condensador (h7):
h7 = (H3 - H4) kcal / kg
Paso 2: Estimar la extracción de calor teórico
A partir del diagrama de Mollier (Hf Diagrama) estimar la extracción de calor teórico para el
condiciones mencionadas en el paso 1. Esto se realiza de la siguiente manera:
- Trazar el Punto de entrada de la turbina en el diagrama de Mollier - correspondiente al vapor presión y temperatura.
- Dado que la expansión en la turbina es un proceso adiabático, la entropía es constante. Por lo tanto dibujar un línea vertical desde el punto de entrada (paralelo al eje y) hasta las condiciones de condensación.
- Leer la entalpía en los puntos donde las líneas de extracción y de presión de condensación cumplen el línea vertical dibujada.
- Calcular la caída de calor teórico de las diferentes etapas de expansión.
Entalpía teórico después del 1 de extracción: H1
Entalpía Teórica después segunda extracción: H2
Entalpía Teórica de condensador Estado: H3
La extracción de calor teórico de la entrada a la etapa 1 Extracción (h8):
h8 = h1 - H1
Teórica de calor Extracción de la Etapa 1 a la Etapa 2 Extracción (h9):
h9 = H1 - H2
Teórica extracción de calor de la Etapa 2 Extracción de la condensación (h10):
h10 = H2 - H3
Paso 3: Calcular la eficiencia de la turbina
Paso 4: Calcular la tasa de calor de la planta
oportunidades de eficiencia energetica
Oportunidades de Eficiencia Energética de un Sistema de Cogeneración de turbina de vapor
Mejoras en la eficiencia energética en relación con la cogeneración se describen en la siguiente
módulos:
- 1 Calderas: consulte el módulo "Calderas y Calentadores de fluidos térmicos"
- 2 Turbina de vapor:
A. Condensador de vacío:
Condensador de vacío o presión de retorno es el factor más importante, ya que una pequeña desviación del óptimo puede producir un cambio significativo en la eficiencia. Hay un número de razones por las que el vacío del condensador puede variar con respecto al valor óptimo de tales como:
- La temperatura de entrada del agua de refrigeración es diferente del valor de diseño este es la razón común para las variaciones de vacío del condensador debido a la temperatura del agua de refrigeración está influenciada significativamente por las condiciones climáticas tales como temperatura y humedad. El clima caliente y húmedo podría resultar en el agua de refrigeración aumento de la temperatura, la degradación de vacío del condensador y la salida de la turbina reductor (con una reducción consecuente en la eficiencia térmica). En el otro lado, las condiciones climáticas frías y secas podría tener los efectos inversos:
- El caudal de agua de refrigeración no es el valor correcto
- Los tubos del condensador están sucias o algunos están bloqueados
- Las fugas de aire en el condensador.
B. La temperatura y la presión de vapor:
Si las condiciones de temperatura de vapor y presión en la entrada a la turbina de vapor varían
a partir de las condiciones óptimas de diseño, la turbina puede no ser capaz de operar a
la máxima eficiencia.
Las variaciones en las condiciones de vapor puede ser debido a errores en el diseño de plantas (incluyendo dimensionamiento), funcionamiento de la instalación incorrecta o incrustaciones dentro de la caldera.
C. Operación de carga parcial:
Las eficiencias de la unidad generadora de cargas parciales se pueden mantener cerca de los
valores de diseño de prestar la debida atención a todos los elementos anteriores. Sin embargo, el mercado de decisiones para operar la unidad generadora en ciertas cargas para ciertos períodos tendrán la principal influencia en su eficiencia térmica promedio. Del mismo modo, la decisión de mercado también cuando la planta está por venir dentro y fuera de línea que tiene una relación con la media térmica de la eficiencia debido a las pérdidas de energía al iniciar o detener el sistema.
- 3 Distribución de vapor y utilización
Oportunidades de eficiencia energética en un sistema de cogeneración de Turbinas de Gas
Mejoras en la eficiencia energética se pueden hacer en las siguientes secciones de la turbina de vapor
Sistemas de cogeneración:
- A Compresor de aire: Por favor, consulte el módulo "Compresores y sistema de aire comprimido"
- B Turbina de gas: Temperatura del gas y la presión: Si las condiciones de temperatura y presión del gas en la entrada a la turbina de gas varían de los de diseño condiciones óptimas, la turbina puede no ser capaz para operar con la máxima eficiencia. Las variaciones en las condiciones del gas puede ser debido a errores endiseño de plantas (incluyendo el tamaño) o funcionamiento de la planta incorrecta.
- operación y carga parcial iniciar y detener: La eficiencia de la unidad generadora en partecargas pueden mantenerse cerca de los valores de diseño mediante el pago de la debida atención a toda la elementos anteriores. Sin embargo, las decisiones de mercado para operar la unidad generadora en ciertas cargas para ciertos períodos tendrán la mayor influencia en su eficiencia térmica promedio. Del mismo modo, decisión de mercado cuando la planta está por venir dentro y fuera de línea también tiene relación con eficiencia térmica promedio debido a las pérdidas de energía al iniciar o detener el sistema.
- La temperatura del gas caliente que sale de las cámaras de combustión. Aumento de la temperatura generalmente resulta en aumento de la producción de energía;
- La temperatura del gas de escape. Temperatura reducida generalmente resulta en un aumento salida de potencia;
- El flujo de masa a través de la turbina de gas. En general, los flujos de masas superiores dan lugar a mayor salida de potencia;
- La caída de presión a través de los silenciadores de escape de gas, conductos y pila. Una disminución en pérdida de presión aumenta la producción de energía;
- El aumento de la presión del aire que entra o sale del compresor. Un aumento en la presión aumenta la potencia de salida
- C Generador de Vapor
opcion listas de control
Esta sección incluye las opciones de eficiencia energética más importantes para la cogeneración
- Uso del gas de escape para calentar el aire desde el compresor (utilizado principalmente en tiempo frío condiciones);
- Dividir el compresor en dos partes y enfriar el aire entre las dos partes;
- Divida la turbina en dos partes y recalentar el gas entre las dos partes pasando el gas a través de cámaras de combustión de los quemadores y situado entre las dos partes adicionales;
- El enfriamiento del aire de entrada. Esto se utiliza principalmente en las condiciones climáticas calientes;
- La reducción de la humedad del aire de entrada;
- El aumento de la presión del aire en la descarga del compresor de aire;
- vapor Inyectar o agua en las cámaras de combustión o de la turbina;
- lavar de otra manera,limpiar el ensuciamiento de las palas de la turbina de compresor de aire en intervalos regulares y combinaciones de los métodos anteriores.
hojas de trabajo
Esta sección incluye las siguientes hojas:
- El rendimiento del sistema de cogeneración de la turbina de vapor §
- El rendimiento del sistema de cogeneración § turbina de gas
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